DE3719037A1

DE3719037A1 - Vibrierender beschleunigungsmesser-multisensor

Info

Publication number: DE3719037A1
Application number: DE19873719037
Authority: DE
Inventors: Robert E Stewart
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1987-06-06
Publication date: 1988-02-11
Also published as: US4744249A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Trägheitsinstrument. Insbesondere ist sie gerichtet sowohl auf ein- und mehr achsige Vibrationsbeschleunigungsmesser, die als Multi sensoren zur Messung sowohl der linearen Beschleunigung als auch der Umlauf- oder Drehgeschwindigkeit eines be wegten Körpers Verwendung finden.

Vor allen Dingen richtet sich die Erfindung sowohl auf einachsige und zweiachsige integrierte vibrierende und kraftabgeglichene Geschwindigkeitsmesser des offenen Schleifentyps, mit denen nicht nur die lineare Beschleu nigung, sondern auch die Drehgeschwindigkeit eines be wegten Körpers gemessen wird. Weiterhin ist die Erfin dung gerichtet auf ein Paket oder ein Modul solcher integrierter Beschleunigungsmesser, die innerhalb eines Halbleitersubstrats gebildet sind, welches zugeordnete Servo- und Signalverarbeitungselektronik einschließt, die innerhalb eines gemeinsamen Substrats vorgesehen sind.

Es wurden bereits eine Reihe von Versuchen unternommen, eine träge Masse zu verwenden, um die Rotationsgeschwin digkeit eines Körpers anzuzeigen. Derartige Versuche haben auf der Coriolis-Beschleunigung beruht, die ein schwin gender oder rotierender Körper erfährt, der mit einem zweiten Körper befestigt ist, dessen Drehung festgestellt werden soll. Die Coriolis-Beschleunigung folgt der Glei chung

= 2 × ,

wobei

= die Coriolisbeschleunigung = die Winkelgeschwindigkeit des zu messenden, drehenden Koordinatensystems (zweiter Körper) und = die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Rotationsachse.

Damit ist das Grundprinzip ausgedrückt, auf dem alle Vi brationskreisel wie auch Kreisel mit Spinrädern basieren, nämlich, daß die Coriolis-Beschleunigung, die eine Masse erfährt, eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Koordinatensystems be sitzt, dem es zugeordnet ist. Das Messen der Winkelge schwindigkeit mit einem oszillierenden Pendel wurde zuerst durch Leon Foucault um 1850 demonstriert. Seit dieser Zeit sind viele Versuche durchgeführt worden, um das Prinzip der Coriolis-Beschleunigung auf Geschwindig keitskreisel und die Geschwindigkeit integrierende Kreisel umzusetzen.

Unter den Versuchen zur Schaffung eines Geschwindigkeits meßkreisels nach diesen Prinzipien sind folgende Geräte entstanden:
"Gyrotron" der Firma Sperry Gyroscope Corporation (1940);
"A5 Gyro" Royal Aircraft Establishment;
"Vibrating String Gyro", North American Rockwell Corporation; "Viro", General Electric Corporation;
"Sonic Bell Gyro", General Motors Corporation.

Mit Ausnahme des Gyrotrons liegen die übrigen Entwicklun gen in den frühen 60iger Jahren.

Generell stützen sich die vorerwähnten Systeme auf einen vibrierenden Körper, um eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu Rotationsachse eines zweiten Körpers einzu führen. Die alternierende Coriolis-Beschleunigung, die auf solche vibrierenden Körper einwirkt, wird dann ge messen. Für eine konstante Vibrationsgeschwindigkeits amplitude V des Kraftsensors ist die Coriolis-Beschleu nigung proportional der Winkelumlaufgeschwindigkeit A.

Vibrierende Körper sind im Hinblick auf ihre mechanische Einfachheit entschieden im Vorteil gegenüber rotierenden Anordnungen. Um ein Rotations-Trägheitsinstrument emp findlich für die Coriolis-Beschleunigung zu machen, sind Kugellager, Schleifringe, Spinmotoren und dgl. erforder lich. Ferner muß eine rotierende Anordnung in ihrer Pha senlage auf das Gebäude bezogen sein in welchem sie be festigt ist, um die eingeführte Winkelgeschwindigkeit in zwei orthogonale Achsen aufzulösen.

Neue Versuche zur Messung der Rotation unter Verwendung eines vibrierenden Trägheitssensors sind mit Hilfe von vibrierenden mechanischen Systemen mit rückführungslo ser Steuerung (offener Schleife) ausgeführt worden, bei denen die Verschiebung einer begrenzten, vibrierenden Trägheitsmasse unter Einwirkung der Coriolis-Beschleuni gung ein elektrisches Signal proportional der Coriolis kraft erzeugt. Derartige Systeme arbeiten als Abstimmga beln, bei denen die Zinken mit einer Frequenz f vibrie ren oder schwingen und in einer senkrechten Ebene propor tional dem Wert abgelenkt werden. Derartige Systeme, die vom mechanischen Standpunkt aus weniger kompliziert sind als rotierende Systeme, sind Ungenauigkeiten unter worfen, die sich aus den orthogonalen Bewegungen erge ben, welche aufgrund der rückführungslosen Steuerung des Typs mit "vibrierender Saite" erforderlich sind.

Ein potentielles Problem jeglicher Multisensoren, die einen oder mehrere vibrierende Sensoren des Trägheitsmas sentyps aufweisen, tritt auf, wenn im Ausgangssignal des Sensors Information zur Linearbeschleunigung längs der Eingangs- oder Fühlachse des oder der Sensoren enthalten ist. Während häufig das Frequenzband der erwarteten Be schleunigung vorhersagbar ist und außerhalb der interes sierenden Bandbreite liegt, so tritt doch Verwirrung auf, wenn die Frequenz der Linearbeschleunigung längs der Ein gangs- oder Fühlachse nahe der Vibrationsfrequenz des Sensors liegt.

Die Integrierung von Sensoren und zugeordneten Signalver arbeitungsschaltkreisen auf einem einzigen Siliciumchip begann mit den Druckwandlern oder Drucktransducern vor etwa 10 Jahren. Derzeit werden intensive Anstrengungen an verschiedenen Universitäten und in industriellen For schungslaboratorien unternommen, um diese Technologie auf viele Anwendungsmöglichkeiten, einschließlich der Be schleunigungsmesser, zu erstrecken. Bekannte rückführungs lose Beschleunigungsmesser wurden gebaut und erprobt. Typische derartige Entwürfe ohne Rückführung, also mit offener Schleife, beinhalten solche mit einem auskragen den Arm, der aus einem Halbleitersubstrat gebildet ist, an dessen freien Ende ein Trägheitsmassenglied angeord net ist. Typischerweise sind an den gegenüberliegenden Seiten solcher auskragender Konstruktionen piezoresistive Fühlelemente angeordnet. Die elektrischen Widerstände dieser Fühlelemente verändern sich, wenn die Massenteile in Folge von Beschleunigungskräften sich bewegen, wodurch der auskragende Arm eine Spannung erfährt. Solche bekann ten Beschleunigungsmesser mit offener Schleife weisen in der Regel geringe Nullstabilität, große Hysterese und zu große Temperatursensitivität auf.

Diese und weitere Nachteile des Standes der Technik wer den gemäß der Erfindung vermieden, die einen verbesserten Multisensor zur Verfügung stellt. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Multisensors weist eine erste und eine zweite Beschleunigungsfühlvorrichtung auf, die je weils auf Beschleunigung längs einer ersten und einer zweiten Achse reagieren, sowie eine Vorrichtung zur Anord nung dieser Beschleunigungsfühlvorrichtungen unter pa ralleler Ausrichtung der ersten und der zweiten Achse. Eine Einrichtung zur mechanischen Vibrierung der Beschleu nigungsfühleinrichtungen mit entgegengesetzter Phase längs paralleler Achsen, die senkrecht zu den ersten und zweiten Achsen verlaufen, sind ebenso vorgesehen. Zur Ver meidung von Winkelvibrationen haben die ersten und zwei ten Achsen vorzugsweise eine Durchschnittsposition, die koaxial ist.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung weist erste und zweite Beschleunigungssensoren auf, die auf lineare Beschleunigung längs einer ersten und einer zweiten Achse ansprechen sowie einer Einrichtung, um diese Achsen senk recht zueinander anzuordnen. Es ist weiterhin eine Ein richtung vorgesehen, um die Sensoren längs paralleler Achsen in einer dritten Richtung zu vibrieren und zwar senkrecht zur Ebene der ersten und zweiten Achsen. Eine in der Regel elektronische Vorrichtung wird verwendet, um die Ausgangssignale der Sensoren zu empfangen und hieraus Signale zu entnehmen, welche ein Maß für die Coriolis- Beschleunigungskräfte ist, die auf die Sensoren ausgeübt werden.

Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zum Erfassen so wohl der linearen Beschleunigung als auch der Dreh- oder Rotationsgeschwindigkeit eines Körpers. Ein Verfahren be inhaltet den Schritt, erste und zweite begrenzte oder festgelegte Trägheitsmassensensoren vorzusehen, die auf lineare Beschleunigung ansprechen und in der Weise ange ordnet sind, daß jeder auf Linearbeschleunigungskräfte anspricht, die der Körper längs senkrechter Achsen er fährt. Die Sensoren werden dann mit einer vorbestimmten Frequenz vibriert oder in Schwingungen versetzt, worauf Signale von deren Ausgangssignalen extrahiert werden, die ein Maß für die Linearen und Coriolis-Beschleunigungen sind, die auf die Sensoren ausgeübt werden.

Gemäß der Erfindung ist dieses Konzept auch auf kraftab geglichene Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Regel kreis anwendbar, die vorzugsweise im Batchverfahren aus Siliciumwafern in praktisch der gleichen Weise wie inte grierte Schaltkreise hergestellt werden als Beschleuni gungssensoren.

Der bevorzugte Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung beinhaltet als wesentlichen Teil ein zentrales Trägheits massenteil, das aus einem Halbleitersubstrat gebildet ist, wie Silicium, das auch dotiert sein kann, um nötigenfalls leitfähige Teile zu bilden. Die Trägheitsmasse oder das Trägheitsmassenteil ist in überkragender Bauweise mittels Scharnieren oder Verbindungen an das Substrat angefügt, wobei diese Scharniere oder Verbindungen durch anisotro pes Ätzen eines Siliciumeinkristalls gebildet wurden.

Die überkragende Verbindung der Massenteile mit dem Sub strat erfolgt vorzugsweise mittels Scharnieren oder Ver bindungen, die aus gekreuzten oder überkreuz angeordneten Biegestegen gebildet sind. Die Stege werden in der Regel durch Ätzen eines ersten Satzes V-förmiger Nuten in ge genüberliegende Oberflächen eines Halbleitersubstrats geformt, wobei ein dünner, winkeliger Steg für eine sol che Verbindung stehen gelassen wird, um das Trägheits massenteil mit dem Substrat zu verbinden. Ein zweiter überkreuz angeordneter Biegesteg wird in der Regel durch Ätzen eines zweiten Satzes von Nuten erzeugt, ähnlich dem ersten Nutensatz, jedoch um etwa eine halbe Nutenbreite gegenüber dem ersten Satz versetzt. Der zweite Nutensatz ist bezüglich des ersten Satzes reversiert oder umgekehrt. Der sich einstellende geneigte, dünne Biegesteg weist auf diese Weise eine entgegengesetzte Neigung mit Bezug auf seinen Counterpart auf. Wegen der Versetzung und Umkeh rung kreuzen sich die Biegestege im Bereich ihrer Mit ten, und ergeben hohe Rotationsübereinstimmung bezüglich einer zur Ebene des Siliciumssubstrats parallelen Ebene, wobei sie hohe Steifigkeit gegen Rotation um die oder Translation in den Richtungen der anderen Achsen aufwei sen. Ein Beschleunigungsmesser mit geschlossenem Regel kreis, der mittels bekannter Halbleiter-Herstellungsver fahren, wie fotolithografische Verfahren und anisotro pes Ätzen, hergestellt werden kann, bietet eine Reihe von Vorteilen, einschließlich enger Toleranzsteuerung und das Vermögen, die Beschleunigungsmesser-Elektronik ganz oder teilweise auf einem einzigen, gemeinsamen Substrat ver gleichsweise geringer Größe zu integrieren. Weiterhin kann bei einem solchen Beschleunigungsmesser eine Mikro computersteuerung Verwendung finden, so daß er in bezug auf spezielle Ausführungen gefertigt und geeicht werden kann.

Die Erfindung ist anhand der folgenden Beschreibung der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Einachsen-Multisensor, bei dem der besseren Übersicht wegen Teile ent fernt sind;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Einachsen-Multisen sor längs der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1, und zusätzlich bestimmte Bauteile, die in Fig. 1 weggelassen worden sind,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt in größerem Maßstab längs der Linie 3-3 der Fig. 2, woraus sich die Vibra tion eines ersten Ausführungsbeispiels der Er findung ergibt, wobei zwei Beschleunigungsmesser zwei im wesentlichen parallele Fühlachsen haben.

Fig. 4 ein Funktionsblockschaltbild der Schaltung für die Erzeugung von Geschwindigkeit und Beschleu nigung für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3.

Fig. 5 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Teilansicht von Beschleunigungsmessern gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines Multisensors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 eine teilweise aufgebrochene, perspektivische Ansicht eines integrierten, kraftausgeglichenen Beschleunigungsmessers, der in einem Gehäuse angeordnet ist,

Fig. 8 eine Exklusivdarstellung eines einzelnen Be schleunigungsmesserchips, zur Herstellung des bevorzugten Beschleunigungsmessers nach Fig. 7 aus Silicium- und hitze- und chemischbeständi gen Wafern;

Fig. 9 eine Draufsicht der Trägheitsmasse und der bie gesteifen Kreuzstegaufhängung des bevorzugten Beschleunigungsmessers nach Fig. 7;

Fig. 10 einen Querschnitt nach Linie 9-9 der Fig. 9;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der biegesteifen und überkragenden Kreuzsteg anordnung der Trägheitsmasse eines Ausfüh rungsbeispiels des bevorzugten Beschleunigungs messers in einer zweiten Konfiguration und

Fig. 12 ein bevorzugtes elektrisches Schaltkreisdia gramm des integrierten Kraftausgleichs- Beschleunigungsmessers nach Fig. 7 bis 12.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines Multisensors gemäß der Erfindung. Zur besseren Dar stellung ist das Oberteil des äußeren Gehäuses 14 ent fernt. Auch ist eine Anzahl von Merkmalen dieser Ausfüh rungsform in dieser Figur nicht gezeigt.

Die Beschleunigungsmesser sind vorzugsweise kraftausge glichen oder kraftabgeglichen, wobei ein Trägheitsmassen teil vorgesehen und so aufgehängt ist, daß es auf eine Beschleunigung der Tragstruktur längs einer vorbestimm ten Achse ragiert und ein Signal als Maß für diese Be schleunigung abgibt.

Ein derartiger kraftabgeglichener Beschleunigungsmesser mit einer festgelegten oder unfreien Fühlmasse wird be vorzugt. Es können jedoch auch Beschleunigungsmesser mit offener Schleife oder eine Kombination aus Sensoren mit offener und geschlossener Schleife, also mit oder ohne Rückführung, verwendet werden. Weiterhin kann die Er findung mit anderen Beschleunigungsmessern verwirklicht werden und zwar solchen, bei denen sich optische Eigen schaften ihrer Elemente während der Beschleunigung ändern.

Beim ersten Ausführungsbeispiel sind die Beschleuni gungsmesser innerhalb eines Hohlraums 16 angeordnet, der im Inneren des Gehäuses 14 ausgebildet ist. Jeder Be schleunigungsmesser ist mit einem dreiteiligen Bügel be festigt; der rechte Beschleunigungsmesser ist mit dem Bü gel befestigt, der den Finger 18 und den Träger 19 auf weist, während der linke Beschleunigungsmesser 12 mit dem Bügel befestigt ist, der den Finger 20 und den Träger 21 enthält. Seitenträger sind in Fig. 1 nicht gezeigt, damit jeder Beschleunigungsmesser und jede Bügelanordnung ein wandfrei sichtmar gemacht werden kann. Wie in den anderen Fig. 2 und 3 dargestellt, ist jedoch jede kombinierte Bü gel-Beschleunigungsmesser-Anordnung sandwichartig zwi schen zwei im Abstand versetzte flexible Seitenträger eingesetzt, die piezoelektrische Elemente aufweisen, wel che zur Erzielung einer vorbestimmten Vibrationssensor bewegung verklebt sind.

Die Beschleunigungsmesser 10 und 12 sind innerhalb des Hohlraumes 16 so angeordnet, daß, vgl. Fig. 2, ihre Ein gangsachsen 22 und 24 parallel und in ihrer Mittelstel lung während Vibration im wesentlichen kolinear verlau fen. Fig. 2 ist eine teilweiser Querschnittansicht längs der Linie 2-2 der Fig. 1 und weist einige Elemente auf, die in Fig. 1 der besseren Übersicht wegen nicht darge stellt sind. Fig. 2 zeigt die rechten und linken paralle len Träger- oder Stegaufhängungen, die voneinander ver setzte Seitenträger in Paaren, 25, 26 und 27, 28 besit zen, die die rechten und linken Anordnungen aus Beschleu nigungsmesser und Bügel sandwichartig aufnehmen. Die rechte Bügelanordnung wird durch einen unteren Finger 30 und die linke Bügelanordnung durch einen unteren Finger 32 vervollständigt.

Die Massen der rechten und linken Anordnungen aus Be schleunigungsmesser, Bügel und Seitenträgerpaaren sind im wesentlichen die gleichen, um die Belastung an den Gehäu sebefestigungen 34, 36, 38 und 40 so gering wie möglich zu halten. Eine derartige Paarbildung von Massen hat die Tendenz, in erster Linie lineare (reine Translations-) Vibrationskräfte zu kompensieren. In den Trägern 19 und 21 sind identische Löcher 42 und 44 vorgesehen, wobei das Loch 42 im wesentlichen nur zum Ausgleich der Masse dient, während das Loch 44 einen Magneten 46 aufnimmt, der dem Magneten 48 entspricht, welcher mit dem rechten Beschleunigungsmesser 10 befestigt ist.

Jeder der Magneten 46 und 48 wirkt mit einem gehäuse festen Paar von Spulen zusammen, die zusammen als die Multisensor-Geschwindigkeitsabnahme wirken. Im Falle des Magneten 48 induziert seine Vibration mit dem rechten Be schleunigungsmesser 10 einen Strom in den Geschwindig keits-Abnahmespulen 50 und 52, die mit einem gehäusefe sten Bügel 54 verbunden sind. Der Bügel 54 ergibt zusätz lich die Lage des rechten, die Beschleunigung wieder her stellenden Verstärkers 56. Die Vibration des linken Be schleunigungsmessers 12 und des Magneten 46 induziert einen Strom in den Geschwindigkeits-Abnahmespulen 58 und 60, die dem Bügel 62 zugeordnet sind. Der linke, die Be schleunigung wieder herstellende Verstärker 64 ist an dem gehäusefesten Bügel 62 festgelegt.

Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht in vergrößertem Maß stab längs der Linie 3-3 der Fig. 1 und zeigt die Vor richtung, die eine Vibration der Beschleunigungsmesser 10 und 12 ergibt. Wie dieser Ansicht entnommen werden kann, wird der rechte Beschleunigungsmesser 10 in fester Zu ordnung zwischen den Seitenwänden 25 und 26 der rechten parallelen Schienenaufhängung mit Hilfe der im Abstand versetzten Finger 18 und 30 des Haltebügels gehalten.

Die Seitenträger 25 und 26 erstrecken sich über die Länge des Hohlraumes 16 und sind an den entgegengesetzten Trä gerabstützgelenken oder Scharnieren 66 und 68 befestigt. Die Seitenträger haben jeweils einen etwa W-förmigen Querschnitt mit nach außen gerichteten verstärkten Tei len, die einstückig mit dünnen, stegartigen Bauteilen ausgebildet sind.

Piezoelektrische Elemente 70, 72, 74, 76 sind mit den stegförmigen Teilen der Seitenträger mittels Klebstoff, z. B. Epoxydkleber oder dergl. verbunden. Metallisierte bzw. Metallkontakte sind auf die piezoelektrischen Ele mente paarweise aufplattiert. Derartiges piezoelektri sches Material wird in an sich bekannter Weise einer voraussagbaren und reproduzierbaren Deformation aufgrund von positiven und negativen elektrischen Potentialen un terzogen. Werden negative und positive elektrische Poten tiale beispielsweise an in geeignerter Weise polarisier te Elemente nach der in Fig. 3 angezeigten Kombination angelegt, werden den Seitenträgern Aufwärtskräfte ange geben, um jeden an seinem Mittelpunkt nach oben zu drücken. Durch Umkehr der Vorzeichen der angegebenen Poten tiale werden umgekehrt die Kombinationen aus Seitenbad, Bügel und Beschleunigungsmesser nach unten gedrückt. Damit werden durch entsprechende Folge von Polaritäten der elektrischen Signale der Beschleunigungsmesser 10 und der Beschleunigungsmesser 12 sinusförmig, mit gegenläu figer Phase mit einer vorbestimmten Frequenz in Vibration versetzt, vorzugsweise mit der mechanischen Resonanzfre quenz der schwingenden Struktur. Die Amplitude der sinus förmigen Geschwindigkeit der Vibration wird mittels des Modulationstreibers 86 (Fig. 4) konstant gehalten. Die Vibration erfolgt mit Resonanzfrequenz, um den Energie verbrauch zum Vibrieren der Beschleunigungsmesser bei einem Minimum zu halten. Die Resonanzfrequenz kann je doch mit der Temperatur und aufgrund andere Einflüsse abtriften. Um die kalibrierte Beziehung zwischen der abgefühlten Coriolis-Beschleunigung und der zu messenden Winkelgeschwindigkeit beizubehalten, wird die Geschwin digkeitsamplitude der Vibration über den Modulationstrei ber 86 bei einer konstanten Amplitude gehalten.

Die Vibrationen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 werden mit einer Phasendifferenz von 180° so induziert, daß sie längs der parallelen Achsen 78 und 80 auftre ten, die senkrecht zu den Fühlachsen 22, 24 verlaufen.

Aufgrund der vorbeschriebenen Coriolis-Beschleunigungs kräfte, die in einem vibrierenden System auftreten, in duzieren die Vibrationen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 längs der angezeigten Achsen 78, 80 meßbare Beschleu nigungssignale proportional der Drehgeschwindigkeit des Multisensors in der Richtung der Eingangsachse eines jeden Beschleunigungsmessers. Somit enthalten die Aus gangssignale der Beschleunigungsmesser 10 und 12 ein Maß für die Drehgeschwindigkeit des Systems um die Achse 82, der Fig. 1 des tragenden Fahrzeugs in Richtung der Ein gangsachsen 22, 24 der Beschleunigungsmesser 10 und 12 und der Drehung um die Achse 82.

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Schaltung zur Bestimmung zweier Signale der Linearbe schleunigung.

Die Signale, die die Vibrationen der Beschleunigungsmes ser erzeugen, werden in Leitern 88 und 90 durch eine Treiberschaltung 86 geführt. In die rechten und linken Abnahmespulenpaare 58, 60 induzierte Ströme betätigen die Treiberschaltung 86 in einer Eigenresonanzanordnung. Bei spielsweise wird die abgefühlte Vibration des linken Be schleunigungsmessers in einen entsprechenden sinusförmi gen Strom proportional der Geschwindigkeit durch Zusam menwirken des Magneten 46 mit den linken Abnahmespulen 58, 60 umgewandelt. Sie wird als Eingangssignal in die Treiberschaltung 86 aufgegeben. Das in den Abnahmespulen induzierte Signal dient als Demodulationsbezugssignal durch Anlegen an einen Demodulator 92. Das Coriolis-Be schleunigungssignal, ein Vektorprodukt, schwingt mit einer Frequenz gleich der der Vibrationsfrequenz des ab fühlenden Beschleunigungsmessers und der Amplitude pro portional der Eingangswinkelgeschwindigkeit um die Achse 82. Somit erfordert das Extrahieren der Winkelgeschwin digkeit- oder Geschwindigkeitsinformation eine Demodula tion eines sinusförmigen Signales.

Die Ausgänge der rechten und linken Beschleunigungsmesser 10 und 12 werden parallel sowohl einem Differential verstärker 94 als auch einem Summierverstärker 96 zuge führt. Wenn die Beschleunigungsmesser um 180° phasenver schoben in Vibrationen versetzt werden, haben die Be standteile ihrer Signalausgänge, die sich auf die Messung der Coriolis-Beschleunigung beziehen, entgegengesetzte Vorzeichen, während die Teile, die sich auf die lineare Beschleunigung beziehen, nicht in dieser Weise beeinflußt werden und gleiches Vorzeichen haben. Somit ist der Aus gang des Differentialverstärkers 94, ein Maß der Diffe renz zwischen den Beschleunigungsmesserausgängen, ledig lich ein Maß für die Coriolis-Beschleunigung und somit die Drehung, da die Teile der Ausgänge, die auf eine lineare Beschleunigung ansprechen, unabhängig von der Be ziehung zwischen den Frequenzen dieser beiden individuel len Bestandteile des Beschleunigungsmesserausganges auf gehoben werden. Als weitere Folge des gleichen und ent gegengesetzten Richtungssinns der Coriolis- oder Ge schwindigkeitskomponenten der Sensorausgänge ergibt der Ausgang des Differentialverstärkers 94 ein doppelt so empfindliches Maß der Drehung wie der Ausgang eines Be schleunigungsmessers mit einem einzigen Multisensor.

Der Geschwindigkeitsausgang des Verstärkers 94 wird dann dem Demodulator 92 aufgegeben, der in der oben erwähnten Weise den induzierten sinusförmigen Strom der Geschwin digkeitsabnahmespulen als Demodulationsbezug verwendet. Der demodulierte Geschwindigkeitsausgang wird dann einem Filter 98 zur endgültigen Extraktion des Geschwindig keitssignals aufgegeben.

Als weitere Folge des entgegengesetzten Richtungssinns der Coriolis-Komponenten der Ausgänge der rechten und linken Beschleunigungsmesser enthält der Ausgang des Summierverstärkers 96, dem die Beschleunigungsmesser ausgänge aufgegeben werden, keine Geschwindigkeitsinfor mation und stellt ein doppelt so empfindliches Maß der linearen Beschleunigung längs der koizidenten Beschleu nigungsmesser-Eingangsachsen dar, wie der Ausgang eines einzigen der Beschleunigungsmesser 10 oder 12. Dieses Ausgangssignal wird nicht demoduliert (im Unterschied zu dem Geschwindigkeitssignal), da es ein direktes Maß für die Beschleunigung ist, gleichgültig, ob die Beschleu nigung in ihrer Art eine Vibrationsbeschleunigung ist oder nicht. Anschließend wird das Signal dem Filter 100 aufgegeben, um daraus eine Beschleunigungsinformation zu extrahieren.

Somit stellt die erste Ausführungsform einen verbesser ten Multisensor des Vibrationstyps dar, mit dem gestei gerte Empfindlichkeit sowohl hinsichtlich Beschleunigung als auch Drehung erreicht wird. Er spricht nicht auf Fehler an, die anderweitig dann induziert werden könn ten, wenn die Frequenz der linearen Beschleunigung mit der modulierten Frequenz des vibrierten Sensors überein stimmt oder dieser sehr nahe kommt.

Fig. 5 zeigt in perspektiver Explosivdarstellung eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit bevorzugten Re lativorientierungen der Beschleunigungsmesser des Multi sensors. Die Beschleunigungssensoreinrichtungen weisen eine orthogonale Anordnung von zwei Beschleunigungsmes sern 110 und 112 auf. Jeder Beschleunigungsmesser ist vorzugsweise kraftabgeglichen und eine Masse, z. B. eine Pendelmasse, ist so orientiert, daß sie auf eine Be schleunigungskraft reagiert, die längs der Eingangsachse wirkt, welche als seine Eingabeachse bekannt ist. Im Ge gensatz zu einer rückführungslosen Steuerung bei Kraft anzeigemechanismen ist eine solche Masse durch Wirkung von Rückstellkräften begrenzt oder unfrei. Die durch die Beschleunigung bewirkte, auf die Masse einwirkende Kraft ist eine meßbare und bekannte Funktion der Energie, die erforderlich ist, um die Krafteinrichtungen so zu beein flussen, daß sie die Nullposition der Masse relativ zum Rahmen beibehalten, wenn Beschleunigungskräfte auf die Masse einwirken. Die Abgriffsensoren, eine Anzahl von herkömmlichen elektromechanischen Wandlern, erzeugen über Verstärker elektrische Signale proportional der Rück stellkraft, die von der reaktiven Trägheitsmasse inner halb des Beschleunigungsmessers abgefühlt wird. Die er forderliche Rückstellkraft wird verstärkt, um die Ab griffsensoren in Nullstellung zu halten und sie ist proportional der Beschleunigung, die auf die Masse, d. h. die Fühlmasse, die im Beschleunigungsmesser wirkt.

Es können eine Vielzahl von unterschiedlichen Trägheits beschleunigungs-Meßgeräten im Rahmen vorliegender Erfin dung verwendet werden; bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 5 finden zwei A4 MOD IV-Beschleu nigungsmesser vom Pendeltyp mit Kraftabgleich Verwendung. Dieser Beschleunigungsmesser wird von der Firma Litton Systems Inc., Beverly Hills, hergestellt. Jeder der obe ren und unteren Beschleunigungsmesser 110 und 112 ist an einem entsprechenden oberen oder unteren Tragarm 114, 116 befestigt, der (im Falle des dargestellten unteren Trag armes 116) ein mittleres Trägerbauteil 118 aufweist, das zwischen zwei querorientierten Flanschen 120 und 122 an geordnet ist. Die Höhe der gesamten Tragarmanordnung überschreitet die des damit befestigten Beschleunigungs messers, und jede der Anordnungen ist so befestigt, daß sie sich sowohl über als auch unter den Beschleunigungs messer erstreckt. Diese Anordnung ermöglicht es, die Be schleunigungsmesser innerhalb des Gehäuses des Multisen sors so zu befestigen, daß eine Aufhängung erzielt wird, die die Möglichkeit jeglicher störender mechanischer Rückkopplung zwischen Beschleunigungsmesser und Gehäu se minimiert. Die Löcher 124, 126, 128, 130, 132 und 134 sind innerhalb der Elemente der Tragarmanordnung vorge sehen, um Schrauben aufzunehmen, die den Tragarm mit dem Beschleunigungsmesser und einer Anker/Membran-Anordnung verbinden, vgl. Fig. 6.

Der herkömmliche innere Aufbau der Beschleunigungsmesser 110 und 112 ist nicht dargestellt; Eingangsachsen 136 und 138 legen die Orientierungen der Empfindlichkeit auf Be schleunigungskräfte fest. Doppelpfeile 140 und 142 zeigen die kolinearen Richtungen der Vibration der Beschleuni gungsmesser, während eine Drehung des Körpers, mit dem das Multisensorgehäuse befestigt ist, um die angezeigten orthogonalen, rotationsempfindlichen Achsen 144 und 146 gemessen wird.

Unter Bezugnahme auf die obige Gleichung für die Corio lis-Beschleunigung ergibt sich, daß das mit einem Multi sensor nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung arbeitende System vorbestimmte Vibrationsgeschwindig keit, Frequenz und Amplitude auf die Beschleunigungsmes ser 110 und 112 längs kolinearer Achsen 140 und 142 auf gibt, um Coloris-Beschleunigungskräfte A längs der Ein gabeachsen 136 und 138 festzustellen, die funktional mit der Drehung um senkrechte Beschleunigungsachsen 144, 146 in Beziehung stehen. Zusätzlich zeigt das Multisensor system natürlich auch lineare Beschleunigungskräfte längs der Eingabeachsen 136 und 138 an, die nicht durch die Corioliskräfte eingeführt werden. Solche lineare Be schleunigungen können von den die Drehgeschwindigkeit messenden Corioliskräften durch entsprechende Auswahl der Vibrationsfrequenz der Beschleunigungsmesser und mit der Demodulations- und Filtereinrichtung nach Fig. 4 unter schieden werden.

Das System ist in Fig. 6 dargestellt und wird in Verbin dung mit Fig. 5 beschrieben. Fig. 6 zeigt eine Quer schnittsansicht des Gehäuses 148 eines Multisensors nach der Erfindung. Die Beschleunigungsmesser innerhalb des zylindrischen Gehäuses 148 sind im senkrechten Achsen kreuz symmetrisch um eine horizontale Achse 150 darge stellt, d. h. daß entsprechende Elemente der Geräte ober halb der Achse 150 um 90° gegenüber denen unterhalb der Achse 50 gedreht sind.

Abdeckungen 152 und 154 dichten den Multisensor ab. Wie aus Fig. 6 zu entnehmen, weist der Tragarm 114, der den oberen Beschleunigungsmesser 110 aufnimmt, ein zentri sches Trägerbauteil 156 auf, das mit querorientierten Flanschen 158 und 160 verbunden ist.

Jede Anordnung aus Beschleunigungsmessern und Tragarm ist oben und unten mit einer im wesentlichen scheibenförmigen Anordnung aus Membran und Anker verschraubt, die ver stärkte Mitten- und Randteile besitzt, welche durch eine verhältnismäßig dünne ringförmige Membran getrennt sind, die so ausgebildet ist, daß damit unabhängige doppelte Membranaufhängungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der horizontalen Achse 150 entstehen. Die Anker/Membrane 162 und 164 sind mit der einzigen Abstützung der Anord nung aus oberem Tragarm und Beschleunigungsmesser ver schraubt oder vernietet, während die Anker/Membrane 166 und 168 die einzige Abstützung für die untere Anordnung bestehend aus Tragarm und Beschleunigungsmesser bilden.

Zylindrische Abstandshalter 170 und 172 trennen die Rän der der Anker/Membrane und vervollständigen zwei unabhän gige Vibrationseinheiten innerhalb des Gehäuses 148. Die obere Vibrationseinheit weist eine Anordnung aus oberem Beschleunigungsmesser 110 und Tragarm auf, die zwischen die Anker/Membrane 162 und 164 eingeschaltet ist, und die von dem zylindrischen Abstandshalter 170 umgeben ist. Die untere Vibrationseinheit weist eine Anordnung aus unterem Beschleunigungsmesser 112 und Tragarm auf, die zwischen die Anker/Membrane 166 und 168 eingeschaltet ist und von dem zylindrischen Abstandshalter 172 umgeben ist.

Ein Elektromagnet 174 ist in der Mitte des Gehäuses 48 mit Hilfe eines nach innen verlaufenden radialen Flan schen 176 und eines damit ausgebildeten Bechers 178 po sitioniert. Ein herkömmlicher Beschleunigungsrückstell verstärker 180, der auf dem Flansch 176 befestigt ist, nimmt Abgreifsignale auf, die innerhalb der Beschleu nigungsmesser erzeugt werden, und gibt in Abhängigkeit davon Steuersignale an die Kraftvorrichtungen innerhalb der Beschleunigungsmesser, die auf die Pendelmasse wir ken. Die erforderlichen Stromleiter hierfür sind in Fig. 6 nicht dargestellt, die elektrische Verbindung ist jedoch außerhalb des Multisensors mit Hilfe oberer und unterer Stromleiter 182 und 184 gebildet, die in elektri scher Verbindung mit der Abfühleinrichtung der oberen und unteren Beschleunigungsmesser 110 und 112 über Lötkon taktstellen 186 und 188 steht. Jeder Stromleiter weist sechs einzelne Leiter auf; ein Paar von Leitern bezieht sich auf die Erregung des Licht emittierenden Diodentei les des Abgreifsensors, ein weiteres Paar ist dem Ausgang des Fotodiodenteiles des Abgriffes zugeordnet, und das dritte Paar ergibt einen Strom an die Kraftvorrichtung des Beschleunigungsmessers.

Der Elektromagnet 174 treibt die oberen und unteren Dop pelmembran-Vibrationseinheiten an, die weiter oben durch Erregen und Entregen elektromagnetischer Felder definiert sind, welche abwechselnd die Membrane 164 und 166 an ziehen und freigeben. Als Folge des Antriebes der Mem brane werden die Vibrationseinheiten einschließlich der zugeordneten Beschleunigungsmesser in der vertikalen Ebene in Schwingungen versetzt. Ferner vibrieren in Über einstimmung mit der Positionierung des Elektromagneten 174 zwischen den Membranen 164 und 166 die beiden Ein heiten und die zugeordneten Beschleunigungsmesser mit einer Phasenverschiebung von 180°. Durch Vibrieren mit Phasenverschiebung über die Einheiten, deren jede identi sche Resonanzfrequenzen besitzt, gleichen sich entgegenge setzte gerichtete Vibrationskräfte aus, wodurch die Vi brationsenergie, die mit dem Gehäuse 148 gekoppelt ist, zur Vermeidung von Befestigungsempfindlichkeiten mini miert wird.

Der Abgabe eines jeden Beschleunigungsmessers ist ein Signal, das die Geschwindigkeitsinformation und die lineare Beschleunigungsinformation längs jeder Eingabe achse des Beschleunigungsmessers enthält. Die indivi duelle Demodulation der beiden Arten von Informationen ist unkompliziert als Folge der unterschiedlichen Fre quenzen der Rotationsgeschwindigkeit und der Beschleu nigungssignale. Die automatische Berechnung der Winkel geschwindigkeit aus dem Coriolissignal wurde in Verbin dung mit Fig. 4 beschrieben. Die Abgabegeschwindigkeits information wird mit der vorgewählten Frequenz der Schwingung des Beschleunigungsmessers moduliert, während die interessierende lineare Beschleunigung als konstant oder in einem verhältnismäßig niedrigen und voraussagba ren Frequenzbereich angesiedelt angesehen werden kann. Die Schwingungsfrequenz der Doppelmembranaufhängungen wird so gewählt, daß sie hoch ist im Vergleich zu den An forderungen der Systembandbreite, um das Filtern des mo dulierten Geschwindigkeitssignals aus der Beschleuni gungsmesserabgabe zu ermöglichen. Die Winkelgeschwindig keitsinformation wird durch kapazitive Kopplung der Be schleunigungsmesserabgabe an einen Bandpaßverstärker er zielt, der um die Modulationsfrequenz zentriert ist. Der Ausgang des Bandpaßverstärkers wird dem Eingang des De modulators aufgegeben, das Bezugssignal für den Demodu lator wird so gewählt, daß es in Phase mit der Geschwin digkeit der vibrierenden Einheit ist. Der Ausgang des Demodulators wird dann so gefiltert, daß eine Gleichspan nung erzielt wird, die in der Amplitude proportional der Winkelgeschwindigkeit ist, die mit einer Polarität aufge geben wird, welche für die Richtung der angelegten Win kelgeschwindigkeit empfindlich ist.

Fig. 7 zeigt in aufgebrochener perspektivischer Darstel lung einen integrierten und kraftausgeglichenen Beschleu nigungsmesser 210, der ein bevorzugter Beschleunigungs messer zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrich tung ist.

Der gezeigte Beschleunigungsmesser 210 ist in einem Ge häuse 212 angeordnet.

Das Gehäuse 212 umfaßt vier Seitenwandungen 214 mit zwei Befestigungsflanschen 216, die sich von zwei gegenüber liegenden Seitenwandungen erstrecken. In den beiden ver bleibenden gegenüberliegenden Wandungen sind zur Her stellung elektrischer Verbindungen mit dem Kraftaus gleichs-Beschleunigungsmesser 210 elektrische Kontakte 218 eingesetzt. Separate Hybridschaltungen bilden einen Verstärker 220 und eine Kompensationsschaltung 222, die innerhalb des Gehäuses 212 vorgesehen sind.

Der kraftausgeglichene Beschleunigungsmesser 210 weist ein Halbleitersubstrat 224 auf, das aus Silicium herge stellt sein kann, wenn es zwischen einem Paar nicht lei tender Isolierschichten 226 und 228 angeordnet ist, die aus einem gegen Hitze und Chemikalien beständigen Glas, wie Pyrex, oder einem anderen vergleichbaren dielektri schen Material hergestellt sein können. Der gezeigte integrierte Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser oder Akzelerometer kann mittels bekannter anisotroper Ätz techniken hergestellt sein. Die Anfertigung des Systems wird weiter durch seine leichte Adaptierbarkeit bekannter Techniken zur Herstellung integrierter Schaltkreise ver einfacht, die die Bildung von Sensoren, elektronischen Einrichtungen für den Antrieb und Datenverarbeitung, wie einen Beschleunigungsmesser-Rückstell- oder Fesselver stärker (ARA) 230 auf der Oberfläche des Halbleitersub strats 224 erlauben.

Der Beschleunigungsmesser 210 weist eine träge oder Träg heitsmasse 232 auf, die senkrecht zur Ebene des Substrats 224 verlaufende Beschleunigungen erfaßt. Die Masse 232 weist eine erste leitfähige Fläche 234 auf, die einen ka pazitiven Abnehmer in Verbindung mit einer leitfähigen Fläche 236 an der unteren Oberfläche des oberen isolie renden Substrats 228 bildet.

Die Trägheitsmasse 232 ist über ein einfaches, stegarti ges Verbindungsteil oder Scharnier 238 überkragend ange ordnet. Diese Verbindung 238 kann durch anisotropes Ätzen beider Seiten des Halbleitersubstrats 224 hergestellt werden. Eine ähnliche Technik kann dazu herangezogen wer den, die Trägheitsmasse 232 vom Substrat 224 abzutrennen. Alternative Ausführungsformen des Verbindungsteils 238 sind im Detail in Verbindung mit den Fig. 9 bis 11 unten beschrieben. Die Fläche des Substrats 224 kann dotiert oder metallisiert sein, um einen leitenden Pfad zwischen dem Verstärker 230 und der leitfähigen Fläche 234 zu schaffen. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Träg heitsmasse 232 ist eine zweite leitfähige oder leitende Fläche 234, vgl. Fig. 10, im Bereich einer leitenden Fläche 240 an dem unteren, nicht leitenden Substrat 226 vorgesehen.

Wie ohne weiteres einzusehen ist, bewirkt das Anlegen eines elektrischen Potentials über den Verstärker 230 an die leitfähige Fläche 234 zwischen den leitenden Flächen 236 und 240 an den Schichten 228 bzw. 226 ein Vorspan nungsfeld. Dieses Feld dient dazu, die Trägheitsmasse 232, die die leitende Fläche 234 beinhaltet, in eine "Null-" oder neutrale Position zu treiben. Beschleuni gungen eines an dem Beschleunigungsmesser 210 angeordne ten Körpers bewirken eine körperliche Auslenkung der Trägheitsmasse 232, wodurch die Kapazitätsbrücke aus dem Gleichgewicht gebracht wird, die teilweise aus den Plat ten 236, 240 und den leitfähigen Flächen 234 gebildet wird, so daß ein elektrisches Ausgangssignal an ARA 230 abgegeben wird.

Das vorstehend beschriebene System bewirkt einen Betrieb in geschlossenem Rückkopplungssteuerungszustand, der den Bewegungsbereich der Trägheitsmasse auf einen extrem be grenzten räumlichen Bereich begrenzt.

In den Fig. 9 und 10 ist ein anderes Verbindungsteil oder Scharnier 239 gezeigt, das beim bevorzugten Ausführungs beispiel aus überkreuzten biegesteifen Stegen oder Plätt chen 242 besteht. Die Stege 242 werden durch anisotropes Ätzen von einkristallinem Silicium gebildet. Letzteres ist als (1,0,0)-Siliciumwafer oder -scheibchen orientiert und im Hinblick auf das Ätzen so maskiert, daß eine V-förmige Nut 244 sowohl an der Ober- als auch an der Un terseite des Substrats 224 gebildet wird. Das längs der Linie 24-24 der Fig. 9 in Fig. 10 gezeigte Verbindungs teil läßt erkennen, daß die obere Nut 244 nach links ver setzt, gegenüber der unteren Nut 244 ist. Nachdem das anisotrope Ätzmittel das Silicium weggeätzt hat, ist das dünne Plättchen 242 oder dieser Steg, der zwischen den Nuten 244 verbleibt, mit einem eine positive Neigung zur Ebene des Halbleitersubstrats 224 aufweisenden Winkel orientiert. Das zweite flexible Plättchen 242′ oder ein solcher Steg wird mittels eines gleichen Satzes V-för miger Nuten 244 gebildet, die auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats 224 orientiert sind, um ein Plätt chen 242′ zu bilden, das unter einem Winkel von etwa 70° zum ersten Plättchen 242 angeordnet ist; das Zentrum fluchtet mit dem Zentrum des ersten Plättchens oder Stegs. Auf diese Weise werden die gekreuzten oder über kreuz angeordneten biegesteifen bzw. flexiblen Plättchen gebildet.

Wie sich aus Fig. 9 ergibt, umfassen die Biegeplättchen 242 und 242′ zwei Paare von überkreuz angeordneten flexi blen Stegen 239. Beim Ätzen der Plättchen wird das Sub strat 224 mit einer Maske abgedeckt, um die Peripherie 246 der Trägheitsmasse 232 zu ätzen.

Vor dem Ätzen werden Trägheitsmasse 232 und Biegeplätt chen 242 und 242′ beispielsweise mit Bor dotiert, um leitfähige Flächen zu erhalten. Diese Dotierung kann über die Fläche des Substrats 224 zu einem Kontaktpfad 248 fortgesetzt werden. Der dotierte Bereich wird mit erheb lich geringerer Geschwindigkeit weggeätzt als die undo tierten Bereiche. Die Tiefe des dotierten Bereiches kann somit dazu herangezogen werden, die Dicke der über kreuz angeordneten flexiblen Stege zu steuern. Die leit fähigen Flächen können ebenfalls mittels metallisierender Techniken ähnlich den zur Aufbringung der leitfähigen Flächen 236 und 240 auf den Substraten 228 bzw. 226 her gestellt werden. Auf diese Weise erhält man elektrische Verbindungen zwischen den leitfähigen Flächen 236 und 240 und Kontaktpfade 250 und 252 auf den Substraten 226 bzw. 228.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es er wünscht, überschüssiges Silicium von dem Teil des Halb leitersubstrats zu entfernen, das die Trägheitsmasse 232 bildet, um die Masse zu verkleinern. Ein Verfahren, dieses Material zu entfernen besteht darin, waffelartige Vertiefungen 54 in gegenüberliegende Flächen des Sub strats 224 zu ätzen. Eine mittige Ausnehmung 256 wird gleichermaßen in die Masse 232 geätzt, um die Kapazität auf den Flächen 234 abzugleichen, und um den Schwerpunkt der Masse in ihrem körperlichen Mittelpunkt beizubehal ten. Es liegt auf der Hand, daß die Masse der Trägheits masse 232 so klein wie möglich gehalten werden soll, um ein maximales Flächen-zu-Masse-Verhältnis herbeizuführen.

In Fig. 11 ist eine Darstellung der Trägheitsmasse 232 gegeben, die mittels des Verbindungsteils oder Scharniers 239 in Form von Biegeplättchen nach Art von Kreuzbalken am Substrat 224 angeordnet ist. Es ist ersichtlich, daß entsprechendes Ätzen der V-förmigen Nuten 244 zwei Paare gekreuzter Plättchen 242 und 242′ erzeugt, deren Zentren längs einer gemeinsamen Linie zusammenfallen, die in einer Ebene liegt, welche den Schwerpunkt enthält und pa rallel zur Ebene des Substrats 224 verläuft.

Man beachte, daß die Scharnieranordnung gemäß Fig. 11 in soweit unterschiedlich zur Orientierung gemäß Fig. 9 ist, daß der Abstand der Zentren größer als der nach Fig. 11 ist. Es liegt auf der Hand, daß andere Variationen gemäß der vorliegenden Offenbarung möglich sind. Die Silicium strukturen können durch Firmen erstellt werden, die sich mit der Herstellung von komplexgestalteten Miniatursili ciumstrukturen befassen. Derartige Firmen sind Transensory Devices, Inc., Freemont, California, und Dielectric Semiconductor, Santa Clara, California.

In Fig. 12 ist ein typischer Schaltkreis gezeigt, der in Verbindung mit dem Kraftausgleichs-Beschleunigungsmesser 210 zur Anwendung gelangen kann. Dieser Schaltkreis ist um einen Rückstellverstärker (ARA) 230 herum aufgebaut, dessen Ausgang mit einer Ausgangsklemme 261 und über eine Rückkopplungsschleife mit der Kontaktstelle 248 verbunden ist, die ihrerseits eine Verbindung mit den leitfähigen Flächen 234 der Trägheitsmasse 232 herstellt, die zwi schen der oberen leitfähigen Elektrode 236 und der unte ren Elektrode 240 angeordnet ist. Die Elektroden 236 und 240 sind durch Sperrkondensatoren 264 und 266 mit den Eingangsklemmen des Verstärkers 230 verbunden. Die Kon takstelle 252 ist mit einer Zusammenführung 268 und dann mit der Elektrode 236 verbunden. Gleichermaßen ist die Kontaktstelle 250 am unteren Substrat 226 über eine Zu sammenführung 270 mit der Elektrode 240 verbunden. Zwi schen den beiden Zusammenführungen 286 und 270 ist ein Paar von Kondensatoren 272 und 274 vorgesehen, deren ge meinsame Elektrode mit einer Wechselstromquelle 276 von z. B. 50 kHz verbunden ist, welche die Kapazitätsabneh merbrücke bildet. Die Klemmen 250 und 252 werden bei minus 15 bzw. plus 15 Volt Gleichstrom gehalten.

Die Vorrichtung nach Fig. 7 bis 12 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Verwendung in dem ersten Ausführungs beispiel nach Fig. 1 bis 4 und in dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 4 bis 6.

Während des Betriebs des integrierten kraftabgeglichenen Beschleunigungsmessers nach Fig. 7 bis 12 bewirkt eine nach oben gerichtete Auslenkung der Trägheitsmasse 232, daß die Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode 236 und der leitfähigen Masse 232 abfällt und zwischen der Elektrode 240 und der Masse 232 ansteigt. Diese Wechsel spannungsänderung wird auf den Eingang des Verstärkers 230 gegeben, der ein Rückkopplungssignal erzeugt, das an die Klemme 248 zur Übertragung auf die Trägheitsmasse 232 angelegt wird, um den Beschleunigungsmesser in einen ab geglichenen oder "Null"-Zustand zurückzuführen. Das Aus gangssignal des Verstärkers 230 an Klemme 261 tritt eben falls als Beschleunigungsmesser-Informationsausgangs signal für entsprechende Systembenutzung zur Weiterlei tung an den Schaltkreis nach Fig. 4 auf.

Die Erfindung beinhaltet somit einen vibrierenden oder schwingenden Beschleunigungsmesser in Einfach- oder Doppelausführung, der vorzugsweise Siliciumbeschleuni gungsmesser benutzt, die aus Siliciumchips hergestellt sind.

Die vorliegende Patentanmeldung umfaßt eine Weiterführung der Gegenstände der DE-OS 34 33 142, 35 00 043 und 36 21 585, deren Inhalt hiermit ausdrücklich zum Gegen stand der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Claims

1. Auf die lineare Beschleunigung und die Rotationsge schwindigkeit eines Körpers ansprechender Multi sensor, gekennzeichnet durch die Merkmale:

a) einen ersten Beschleunigungsmesser (10, 110, 210), der auf die lineare Beschleunigung längs einer ersten vorgewählten Achse anspricht,
b) einen zweiten Beschleunigungsmesser (12, 112, 212), der auf die Beschleunigung längs einer zweiten vorgewählten Achse anspricht,
c) ein Paar von Doppelmembranaufhängungen (62, 64; 66, 68), die so vorgesehen und angeordnet sind, daß die Beschleunigungsmesser begrenzt werden, so daß die erste vorgewählte Achse senkrecht zur zweiten vorgewählten Achse angeordnet ist,
d) eine Einrichtung (62 bis 68; 70 bis 76), die wenigstens einen dieser Sensoren in Vibrationen versetzt und
e) eine Einrichtung, die auf die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser (10, 110, 210; 12, 112, 212) anspricht, um Signale zu erzeugen, die ein Maß für die auf die Sensoren ausgeübten Coriolisbe schleunigungen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (62 bis 68; 70 bis 76) den Be schleunigungsmesser sinusförmig mit seiner mechani schen Resonanzfrequenz und mit einer sinusförmigen Geschwindigkeitsamplitude in Vibrationen versetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung (62 bis 68; 70 bis 76) so angeordnet ist, daß die Sensoren (10, 110, 210; 12, 112, 212) außer Phase in Schwingungen versetzt werden.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (62 bis 68; 70 bis 76) einen Elektromagneten auf weist, der zwischen den Doppelmembranaufhängungen (62, 64; 66, 68) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrations frequenz der Doppelmembranaufhängungen relativ hoch bezüglich der Systembandbreite ist.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Beschleunigungsmesser (10, 110, 210; 12, 112, 212) vom Typ A4 MOD IV sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren außer Phase in Schwingungen versetzt sind.

8. Multisensor nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
einen ersten Beschleunigungsmesser, der auf die Be schleunigung längs einer ersten Achse anspricht, einen zweiten Beschleunigungsmesser, der auf die Be schleunigung längs einer zweiten Achse anspricht,
eine Einrichtung zur Befestigung der ersten und zweiten Beschleunigungsmesser derart, daß die erste Achse im wesentlichen kolinear zur zweiten Achse an geordnet ist und eine Einrichtung, mit der wenig stens einer der Beschleunigungsmesser längs einer dritten Achse in Schwingungen versetzbar ist, wobei die dritte Achse senkrecht zur ersten und zweiten Achse vorgesehen ist,
eine Einrichtung zum Summieren der Ausgangssignale der zwei Beschleunigungsmesser und
eine Einrichtung zum Subtrahieren der Ausgangssig nale der beiden Beschleunigungsmesser,
wobei das Ausgangssignal der Summiereinrichtung ein Maß für die Beschleunigung längs der ersten und zweiten Achse und das Ausgangssignal der Subtrahier einrichtung ein Maß für die Coriolisbeschleunigung ist, die durch Winkelgeschwindigkeit um eine fünfte Achse induziert ist, die senkrecht zu der ersten, zweiten, dritten und vierten Achse vorgesehen ist.

9. Multisensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationseinrichtung eine Anzahl piezo elektrischer Elemente aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Beschleunigungsmesser im wesentli chen identisch ausgebildet und die erste und zweite Achse in gleicher Richtung angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrations einrichtung wenigstens einen Beschleunigungsmesser sinusförmig mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz und mit konstanter sinusförmiger Geschwindigkeitsam plitude in Vibrationen versetzt.

12. Multisensor nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibra tionseinrichtung jeden der Beschleunigungsmesser in Gegenphase längs paralleler dritter und vierter Achsen in Vibrationen versetzt, wobei jeder der parallelen Achsen senkrecht zur ersten und zweiten Achse angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleu nigungsmesser im wesentlichen identisch und die erste und zweite Achse in gleicher Richtung ange ordnet sind.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleuni gungsmesser so festgelegt sind, daß sie längs der dritten und vierten Achse in reintranslatorischer Bewegung vibrieren.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die translatori schen Schwingungen längs der dritten und vierten Achse hinreichend linear und parallel sind, um Vi brationseffekte zweiter und dritter Ordnung in den Ausgangssignalen der Beschleungungsmesser auf eine Größe zu reduzieren, die vernachlässigbar ist im Vergleich zur Größenordnung der Corioliskomponente der mit den Beschleunigungsmessern zu messenden Be schleunigung ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß Demodulator und Filtereinrichtungen so ver bunden sind, daß sie die Ausgangssignale der Be schleunigungsmesser erhalten, um die Coriolissig nalkomponenten aus den linearen Beschleunigungs signalkomponenten der Ausgangssignale zu separieren.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Beschleunigungsmesser jeweils aufweisen:
ein erstes ebenes Substrat (224) aus einem Halblei termaterial mit einer Öffnung, die den Umfang einer beschleunigungssensitiven Masse (232) definiert,
wobei die beschleunigungssensitive Masse (232) über mehrere überkreuz verlaufende Biegestege (242, 242′) mit dem Halbleitersubstrat (224) verbunden ist,
zweite und dritte ebene Substrate (226, 228,) die auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ebenen Sub strats (224) angeordnet sind, wobei die zweiten und dritten Substrate (226, 228) eine leitfähige Fläche (236, 240) im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (232) aufweisen,
eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Po tentials zwischen beschleunigungssensitiver Masse (232) und den leitfähigen Flächen (236, 240) auf den zweiten und dritten Substraten (226, 229) und
durch eine Einrichtung, die im Halbleitermaterial des ersten ebenen Substrats (224) gebildet ist, um das elektrische Potential mit der beschleunigungs sensitiven Masse (232) zu verbinden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß die beschleunigungssensitive Masse (232) über mehrere überkreuz verlaufende Biegestege (242, 242′) mit dem Halbleitersubstrat (224) verbunden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die im Halbleitermaterial jedes Beschleunigungsmessers gebildete Einrichtung weiter hin elektronische, auf das Ausgangssignal der Be schleunigungsmesser ansprechende Einrichtungen aufweist.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Beschleunigungsmesser die gekreuzten Biegestege (242, 242′) zur Herbeiführung einer auskragenden Biegung in einer Richtung und Festigkeit oder Stei figkeit in allen anderen Richtungen ausgebildet sind.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Beschleunigungsmesser die gekreuzten Biegestege (242, 242′) paarweise vorgesehen sind, wobei jeder Steg (242, 242′) durch zwei V-förmige Nuten (244) auf gegenüberliegenden Flächen des Halbleitersub strats (224) geformt ist, die einen Steg (242, 242′) unter einem Winkel zur Ebene des Substrats (224) bilden, wobei jeder Steg (242, 242′) des Paares unter entgegengesetztem Winkel zum anderen angeord net ist.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Beschleunigungsmesser die beschleunigungssensitive Masse (232) zur Herbeiführung eines großen Flächen/ Massen-Verhältnisses ein waffelartiges Muster auf weist.

23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Beschleu nigungsmesser das zweite und dritte Substrat (226, 228) aus nicht leitfähigem Material gebildet ist.

24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Be schleunigungsmesser die im Halbleitersubstrat (gebildete beschleunigungssensitive Masse (232) zur Herbeiführung von Leitfähigkeit dotiert ist und daß das zweite und dritte ebene Substrat (226, 228) durch ein Paar isolierender Platten gebildet sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterma terials vorgesehen sind und elektrisch leitfähige Stellen im Bereich der beschleunigungssensitiven Masse (232) aufweisen.

25. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die überkreuz angeordneten Biegestege (242, 242′) durch anisotro pes Ätzen eines das Halbleitersubstrat (224) bil denden Einkristalls gebildet sind.

26. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleuni gungsmesser gegenphasig in Schwingungen versetzt werden.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich net, daß die Masse (mittels einer Anzahl überkreuz angeordneter Biegestege) mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist.